复合材料模具的制模方式及材料选择

在零件的设计阶段就应该开始考虑模具的设计和制造问题了。这时设计师需要获取该零件制造的相关信息，比如采用什么样的加工工艺，工艺过程有哪些，选择什么材料，生产周期和生产批量的要求是什么，属于原型样品、小批量还是大批量生产，零件的制造精度和表面质量要求是怎样的。

取决于上述问题的答案，可以做出决定是选用单一模具还是双模具，有无嵌入件，模具的材料和数量，热流道系统的规格，浇冒口的数量及位置，锁模、脱模及合模系统的类型和规格。

模具的制造方式

模具的制造方式可以分为两类：直接式和间接式。这两种方式各有各的优点和缺点。具体选择哪种，要看模具的制造质量、数量、成本、交货期要求是怎样的，以及模具供应商的技术优势所在。

直接式模具制造：就是用毛坯件或模具基材采用直接机加的方式制造出所需模具。模具材料可以选用块状的聚合物或泡沫材料、金属或者可加工陶瓷。增材制造工艺生产出的模具也属于直接式制模的范畴。

间接式模具制造：这种模具制造方法始于一个主模型。这个主模型可能是通过机加的方式得到的，或者就是一个成品件。一旦有了主模型，就可以以此为模板通过铸造或涂层工艺取得模具。这种模具的材料大多选用GFRP（玻璃纤维增强聚合物）或CFRP（碳纤维增强聚合物），但是，在一些情况下也可能选用聚合物浆料、陶瓷、混凝土或镍电铸层材料。

主模型或模具的材料选择

选择材料其实就是选择材料的特性。可以将各种相关特性分为5个类别。

◆物理特性 ：密度、热膨胀系数、热导系数、比热容、孔隙率、最高使用温度。

◆机械特性： 强度、刚度、硬度、脆性。

◆化学特性：与树脂及其固化剂的相容性、与溶剂及其脱模剂的相容性、在生产环境中的被腐蚀倾向。

◆制造特性：易加工性、可达到的最高加工精度、表面处理、易压缩性、易喷射性和易注射性、采集时间、固化收缩、热收缩或其它尺寸变化、最大制造尺寸、最大和最小测量极限、是否有合适的供应商、供应商的产能和市场竞争力。

◆使用特性：使用寿命、可维护性、可修复性、易改造性。

重要的是要认识到，主模型或者模具的材料选择将决定模具在生产过程中的性能表现，包括能够制造出的零件数量，以及最终成品的生产成本等等。总之，材料选择的结果将对整个生产链产生重大影响。正因为如此，在这个问题上要运用多方位知识储备做出明智的抉择，只有这样才能使后续的生产过程既省时又省钱。最常见的主模型或模具材料有以下几种：

◆非填充和填充聚合物：预制块或者其它形状的聚合物材料，如 PTFE（聚四氟乙烯）、尼龙、或者大规模的铸造系统，如填充环氧树脂、聚脂类或复合泡沫塑料，都归于这一类。填充和非填充聚合物所制成的模具，通常用于生产尺寸较小，复杂度中低等的零件，并且合模和注射压力都比较低，铸造温度也处于中低等级。

◆模具基材：轻型、稳定的材料一般比较适合用来制造主模型，或者在一些情况下，用于模具的直接式制造。模具泡沫通常用在原型机研发阶段，比如说用来制造主模型，因为它的使用寿命一般很短。

◆纤维板：纤维板比如MDF（中等密度纤维板）和HDF（高密度纤维板）都可以用来制造主模型和模具。纤维板、模具泡沫以及填充和非填充聚合物在重量上非常相似，但是纤维板对潮湿更为敏感。纤维板在过去很常被用到。如今，模具泡沫、填充和非填充聚合物更受青睐，因为它们的匀质性更好，对潮湿也不那么敏感。纤维板的主要缺点是厚度有限，表面硬芯部软。

◆GFRP也称为玻璃钢（玻璃纤维增强聚合物）：一般用于非直接式模具制造中，需和其它型芯材料配合使用。电加热垫或加热器管可以用来控制模具的温度。GFRP模具广泛用于中小批量（小于2,000件）生产中。

GFRP模具的最大优势在于，一般的聚合物加工公司都具备GFRP相关的制模和修模技术能力。但是，用这种模具很难获得小圆角过渡结构，并且会有累积误差的问题。

◆CFRP（碳纤维增强聚合物）：CFRP模具通常是由碳纤维预浸料在高压釜中被制造出来的，而非手工制作的。CFRP模具很常见。但是，和GFRP模具一样，很难实现小圆角过渡，也有累积误差的问题。

◆电铸镍：和GFRP、CFRP模具一样，电铸镍模具的制造也要借助于主模型。具体来说，就是镍通过电解沉积到主模型表面，形成一层很薄的金属表层，这里完全不需要机加过程。接着，会以钢或复合材料对金属表层进行加固处理。用电铸镍的方式制造的模具，模具面的相对重量比较轻，并且使用寿命也较长。然而，它并不适用于大型、复杂模具的制造。

◆陶瓷：陶瓷材料的范围很广，从石膏和混凝土到不同类型材料的特殊混合物，经过一定的工艺处理后都能变为陶瓷。同样是使用间接式的制模方法，陶瓷模具的制造也需要用到主模型。陶瓷模具更适合用于小批量生产或原型机的制造中。这是因为，这种模具易于磨损，并且磨损后很难被修复。

◆铝合金：可以使用块状或近净成形（near-net shapes）的铝合金毛坯件，采用铣削加工的方式来制作铝合金模具。铝合金材料的规格不同，材料特性的差异化很明显。这种模具材料更适合用于中等批量生产（小于5000件）中。模具使用中要特别注意脱模方法，因为铝合金材料对刮擦是很敏感的。

◆钢材：和铝合金模具的制造方式一致，钢制模具也是通过直接机加的方式制造出来的。并且模具表面的耐用性和光洁性都可以达到很高的水平。因此，钢制模具的使用寿命是所有模具中最长的，但是它的制造成本较高，并且需要特殊工艺处理来避免被腐蚀。

做出最后的决定

应该清楚的是，模具材料的最终选择，一定是在权衡不同材料特性的利弊，并且具体情况具体分析后才能做出的。期间可以运用多种决策分析方法，如多准则决策分析法（MCDA）、共识法（Consensus）和偏好顺序结构评估法（Promethee）。